方波溶出伏安法快速測定貝類中的痕量鉛

李 炯， 黃鴻興， 王鵬程， 江振友

(暨南大學(xué)醫(yī)學(xué)院微生物與免疫系，廣東 廣州 510632)

近年來，隨著廣東等沿海地區(qū)工業(yè)的快速發(fā)展，大量未經(jīng)處理的工業(yè)污水排入沿海海域，污水中含有的重金屬離子可隨著食物鏈富集到貝類等水生生物體內(nèi).貝類產(chǎn)品更易受水源污染的影響，其衛(wèi)生質(zhì)量對人類的健康具有重要影響，也越來越引起人們的重視.重金屬鉛及其化合物具有蓄積性和多親和性等特點(diǎn)，可以通過呼吸道、消化道等途徑侵入機(jī)體，從而引起機(jī)體神經(jīng)系統(tǒng)功能或結(jié)構(gòu)損害，長期攝入鉛會引起消化系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等疾病 .因此，建立快速而靈敏的重金屬離子檢測的分析方法是一項(xiàng)非常緊迫的任務(wù).常見的用于重金屬離子檢測的技術(shù)包括酶分析法、電感耦合等離子發(fā)射光譜法、原子熒光光度法、高效液相色譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、生物傳感器以及免疫分析法等［3］.盡管這些常規(guī)檢測方法精密度和準(zhǔn)確度較高，但存在操作復(fù)雜、儀器昂貴、耗時(shí)較長及檢測成本高等缺點(diǎn).方波伏安法因其具有快速、成本低、靈敏度高和選擇性好等特點(diǎn)已被廣泛用于疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物、環(huán)境污染物(如重金屬和其他化學(xué)污染物)的檢測［4-5］.已有文獻(xiàn)報(bào)道采用方波伏安法檢測水體、空氣以及農(nóng)藥等鉛離子含量，然而對食用的貝類重金屬含量的研究則很少報(bào)道［6-10］.本研究選取市場上常見的4種貝類作為研究對象，采用方波溶出伏安法測定貝類中鉛元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，評估其食用的安全性.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

CHI832C電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司);電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國PerkinElmer公司，Optima2000DV);pH計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司);電子天平(梅特勒-托利多儀器有限公司);渦旋振蕩器(北京京輝凱業(yè)科技有限公司);玻碳電極(上海辰華儀器公司);氯化鉀(≥99.99%，Sigma公司);鉛標(biāo)準(zhǔn)儲備液(1 000 μg/mL，廣州自力色譜科儀有限公司);高氯酸(AR，上海實(shí)意化學(xué)試劑有限公司);濃硝酸(AR，廣州自力色譜科儀有限公司);硝酸汞(AR，廣州自力色譜科儀有限公司);實(shí)驗(yàn)用水為R=18 MΩ/cm的超純水.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)試劑配制 配制500 mL HAc-NaAc緩沖液(0.2 mol/L，pH=5.6 和 5.0);鍍汞液:40 mg/L 的氯化汞溶液+0.03 mol/L稀鹽酸(調(diào) pH至5.0);鉛標(biāo)準(zhǔn)液:取1.00 mL鉛標(biāo)準(zhǔn)儲備液(1 mg/mL)于100 mL容量瓶中，然后用超純水定容至100 mL，得到10 mg/L的鉛標(biāo)準(zhǔn)液.

(2)樣品處理 本實(shí)驗(yàn)測試樣品來源于廣州某農(nóng)貿(mào)市場隨機(jī)購買的4種貝類:齒舌櫛孔扇貝(Chlamys radla)，毛蚶(ScapHarca subcrenata)，近江牡蠣(Ostrea rivularis)，翡翠貽貝(Perna viridis).樣品處理采用濕法消化［11-12］，具體步驟:配制硝酸+高氯酸混合酸(按體積比9∶1配制)，準(zhǔn)確稱量貝類樣品置于100 mL錐形瓶中，加入10 mL混合酸在電爐上加熱消化5～10 min.待溶液呈無色透明狀且有白煙冒出，停止加熱.將消化液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中并用醋酸緩沖液定容至25 mL，作為待檢測液.準(zhǔn)確移取一定量待檢測液于電解池中并用醋酸鹽緩沖液定容至10 mL，按實(shí)驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行測定，并在標(biāo)準(zhǔn)曲線上求出待測液中Pb2+的濃度.

(3)玻碳電極的預(yù)處理 首先用 1、0.3、0.05 μm粒徑的Al2O3打磨玻碳電極約4 min，然后用超純水清洗干凈電極，最后將電極分別放在無水乙醇，蒸餾水中交替超聲清洗5 min，氮?dú)獯蹈蓚溆?

(4)方波伏安檢測參數(shù)的優(yōu)化為提高檢測靈敏度，在對玻碳電極進(jìn)行方波伏安掃描的過程中，需對方波頻率、掃描速度、沉積電壓，方波振幅和電沉積時(shí)間參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.參考相關(guān)文獻(xiàn)［13-14］，首先設(shè)定方波伏安檢測參數(shù):方波頻率(30 Hz)、掃描速度(4 mV)、沉積電壓(-1.2 V)、方波振幅(30 mV)和電沉積時(shí)間(90 s)，然后通過控制變量法分別改變方波伏安各檢測參數(shù)并獲得方波伏安檢測最優(yōu)參數(shù).

(5)方波伏安檢測 SWV檢測前玻碳電極預(yù)鍍汞膜(在-1.0 V下電沉積120 s).SWV檢測采用三電極系統(tǒng):工作電極為玻碳電極;參比電極為飽和甘汞電極;輔助電極為鉑絲電極.方波伏安(SWV)優(yōu)化檢測程序:在 -1.1 V(vs.SCE)下電沉積120 s，同時(shí)以800 r/min攪拌溶液.電沉積結(jié)束后停止攪拌并保持電壓不變10 s.方波掃描:掃描速度為4 mV(vs.SCE)，振幅為25 Hz，頻率為 25 Hz，掃描電位為-1.0 ～ -0.3 V(vs.SCE).

2 結(jié)果與分析

2.1 電解質(zhì)緩沖底液pH選擇

在方波伏安法檢測金屬離子時(shí)，緩沖底液峰電流有較大影響，所以有必要對緩沖液的pH值進(jìn)行優(yōu)化.首先，分別選擇不同pH的0.2 mol/L的HAc-NaAc緩沖液作為緩沖底液對7×10-8mol/L的Pb2+進(jìn)行方波伏安檢測，結(jié)果顯示HAc-NaAc緩沖液在pH 5.0附近能產(chǎn)生更大的峰電流，且峰型尖銳而對稱.所以本實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)品檢測選擇0.2 mol/L的HAc-NaAc緩沖液(pH=5.0)作為緩沖底液，貝類樣品檢測選擇由0.2 mol/L的HAc-NaAc緩沖液(9.5 mL，pH=5.6)與貝類樣品液(0.5 mL，pH=0.43)組成的混合液(10 mL，pH=5.0)作為緩沖底液.結(jié)果見圖1.

圖1 pH對Pb2+峰電流影響Fig.1 Influence of pH on the peak current of Pb2+

2.2 方波伏安檢測參數(shù)的優(yōu)化

采用控制變量法對方波伏安檢測參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，由圖2(A)、(B)可知隨方波頻率和掃描速度的增大，鉛離子峰電流信號隨之增大，但方波頻率和掃描速度的增大會導(dǎo)致半峰寬增加，峰電位負(fù)移，不利于鉛離子測定，參考相關(guān)文獻(xiàn)［13］選擇方波頻率和掃描速度分別為25 Hz，4 mV;圖2(C)表示沉積電位在-1～-1.5 V，沉積電位越負(fù)峰電流越大.由于電壓更負(fù)容易出現(xiàn)析氫、雜質(zhì)氧化等干擾現(xiàn)象，所以選擇-1.1 V作為沉積電位;圖2(D)表示方波振幅在10～25 mV峰電流隨方波振幅增加而增加，振幅在超過25 mV后峰電流增加趨于穩(wěn)定，方波振幅在25 mV處峰型尖銳而對稱，故選擇25 mV作為本實(shí)驗(yàn)方波振幅;圖2(E)表示電沉積時(shí)間在60～360 s，峰電流隨著電沉積時(shí)間增加而增加，沉積時(shí)間不足會降低靈敏度，綜合靈敏度與節(jié)約檢測時(shí)間考慮，選擇120 s作為本實(shí)驗(yàn)電沉積時(shí)間.

圖2 方波溶出伏安法檢測條件優(yōu)化Fig.2 Optimum experimental conditions of square wave stripping voltammetry

優(yōu)化后，得到方波伏安檢測參數(shù)如表1:

表1 儀器工作參數(shù)Table1 Instrument operating parameters

2.3 溶出方波伏安圖

圖3 為優(yōu)化條件下，pH5.0、濃度 0.2 mol/L 的HAc-NaAc緩沖液溶出方波伏安圖.可以看出在-0.561 V(vs.SCE)處峰型尖銳且對稱，適合用于鉛離子的測定.

2.4 線性范圍和檢出限

在上述最佳條件下，Pb2+濃度(Cpb)在1×10-8～2×10-6mol/L與方波伏安溶出峰峰電流(Ip)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其回歸方程為:IPb=2.497 3+80.93 × CPb，相關(guān)系數(shù) r=0.997 7，檢出限為 0.267 μg/L(S/N=3).任取7支電極對4×10-7mol/L的含鉛溶液進(jìn)行7次平行實(shí)驗(yàn)，響應(yīng)值的相對偏差(RSD%)為 2.09%(見圖3).

圖3 不同濃度Pb2+的方波伏安圖Fig.3 Different concentrations of Pb2+square wave voltammetry

2.5 可行性實(shí)驗(yàn)

為了考察該傳感器的實(shí)際性能，采用本方法探測了齒舌櫛孔扇貝、毛蚶、近江牡蠣和翡翠貽貝4種貝類中Pb2+離子的含量，并以原子吸收和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer，ICP)作比較.結(jié)果顯示，本方法與原子吸收方法和ICP的相對偏差為2.30% ～10.91%，表明該傳感器能有效地進(jìn)行Pb2+的檢測(見表2).

圖4 Pb2+的濃度與峰電流的擬合圖Fig.4 The corresponding calibration curve of the peak currents and the concentrations of Pb2+

表2 3種方法檢測貝類樣品結(jié)果比較Table2 The results of the three methods compare shellfish samples

2.6 精密度實(shí)驗(yàn)

取處理好的如下3種貝類樣品，采用相同的檢測條件各重復(fù)檢測8次，計(jì)算均值和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差.結(jié)果表明相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.38% ～2.45%(見表3).

表3 3種貝類樣品精密度實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果Table3 The precision results of three kinds of shellfish samples (mg/kg)

2.7 回收率實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確移取已知質(zhì)量濃度的0.5 mL樣品溶液于電解池中，加入鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液0.1 mL(質(zhì)量濃度10 mg/L)并選擇HAc-NaAc緩沖液(pH=5.6)定容至10 mL，本實(shí)驗(yàn)選擇毛蚶樣品為代表做回收實(shí)驗(yàn)，按試驗(yàn)方法測定.結(jié)果表明本方法的回收率為94.63% ～ 101.30%(n=3)，所構(gòu)建的傳感器能夠滿足檢測要求(見表4).

表4 貝類樣品鉛離子回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果(mg/kg)Table4 Shellfish sample lead ion recycling experimental results (mg/kg)

2.8 干擾離子的影響

在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，向1×10-6mol/L的Pb2+離子標(biāo)準(zhǔn)溶液中分別加入不同濃度的下列干擾離子:K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Hg2+.結(jié)果表明，當(dāng)上述離子為Pb2+離子濃度的1 000倍時(shí)，仍不影響Pb2+的測定.而Cd2+，Cu2+達(dá)到Pb2+離子濃度100倍時(shí)便會干擾Pb2+的測定.

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過方波溶出伏安法對貝類樣品中的鉛離子進(jìn)行檢測，結(jié)果表明 Pb2+在1×10-8～2×10-6mol/L溶出峰電流與鉛離子濃度呈現(xiàn)良好的線性，回歸方程 IPb=2.497 3+80.93 × CPb，(r=0.997 7)，檢出限達(dá)到 0.267 μg/L.該實(shí)驗(yàn)所建立的方法操作簡便，設(shè)備低廉，線性范圍寬，重復(fù)性和準(zhǔn)確性好，大大降低了海產(chǎn)品中鉛、鉻等金屬離子測定的時(shí)間和費(fèi)用.該方法還可用于其他食品中多種重金屬離子的檢測，具有很好的推廣和使用價(jià)值.

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